水库建设对赣江流域水沙情势的影响

胡 强，王 姣 ，刘 颖，吴 晓 彬

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

近几十年来，由于气候变化和人类活动的影响，鄱阳湖出现了枯水期水位连创新低、湖区面积缩减、旱涝急转和湿地生态系统遭受破坏等现象，鄱阳湖流域的径流量和输沙量发生了一定的变化，水库等水利工程的建设与水土保持工程对其有深刻的影响，引起了社会的广泛关注[1-2]。赣江作为鄱阳湖流域最大的河流，研究其水沙特征变化对河湖关系、流域开发均具有重要意义。游海林[3]采用多种数值分析方法对赣江外洲站1950～2016年径流的变化特征进行了分析。郑海金[4]采用Mann-Kendall(M-K)法和T检验法对赣江外洲站1970～2009年长时间序列的年径流量和年输沙量进行了分析。肖洋[5]采用肯德尔秩次相关检验法、有序聚类分析和秩和检验法、小波分析法分析了赣江下游外洲站1950～2011年水沙的趋势性、跳跃性和周期性等变化规律。国内学者对赣江水沙情势的变化特征做了许多研究，但现有研究多采用近50 a的水沙资料，但近10 a赣江流域水库建设进程加快，针对水库建设对赣江流域近60 a长序列特性变化趋势的影响鲜有研究。因此，本文重点分析近60 a水库建设对赣江流域水沙情势的影响，为将来流域开发和管理提供依据。

1 研究区概况

赣江发源于石城县洋地乡石寮东部，河口位于永修县吴城镇望江亭，主河道长823 km，上游为典型的辐射状水系，流域内水系发达。赣江为鄱阳湖水系五大河流之首，流域面积82 809 km2，占鄱阳湖流域总面积的51%，其中98.45%流域面积在江西省境内，是江西省第一大河流。流域东临抚河流域，西以罗霄山脉与湘江流域毗邻，南以大庾岭、九连山与东江、北江为界，北通鄱阳湖。流域东西窄而南北长，南北最长550 km，东西平均宽约148 km，呈不规则四边形[6-8]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用赣江主要控制站坝上、吉安、外洲1953～2017年径流量和1956～2017年输沙量数据(局部缺失年份采用水沙相关插补延长)，数据来源于江西省水文局和《中国河流泥沙公报》。统计水库包括大(1)型、大(2)型和中型水库三类，统计时间截止至2018年。赣江流域主要水文站点与水库如图1所示。

图1 赣江流域主要水文站点与水库示意Fig.1 Locations of major hydrostations and reservoirs in Ganjiang River Basin

2.2 研究方法

大多学者采用数学方法分析水沙的变化特征，常用的方法有过程线法、线性回归法、Mann-Kendall(M-K)检验法、双累积曲线法及小波变换法等等。过程线法是最常用的分析方法，分别以时间、径流量或输沙量为横纵坐标，点绘流域径流量与输沙量随时间的变化过程，可直观反映流域水沙变化的趋势。距平累积法是按时间序列将每年的距平值进行累加，得到距平累积序列。结合水文序列实测值和距平累积曲线的波动特征，可判断水文序列演变的变化趋势。双累积曲线是将同期内两个变量的连续累积值绘制在直角坐标系中，常用于水文气象要素的一致性检验、缺值的插补或资料校正，以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析。

本文主要采用水沙过程线法、距平累积法和双累计曲线法3种研究方法对赣江径流量、输沙量进行变化特征和趋势性分析。

3 结果与讨论

3.1 赣江流域水库建设历程及现状

据不完全统计，截至2018年底，赣江流域已修建完成大中型水库共132座，其中大(1)型2座，大(2)型14座，中型116座；累计总库容约94.59亿m3，防洪库容约24.42亿m3。其中，16座大型水库总库容约57.14亿m3，占已建成大中型水库总库容的60%以上。水库数量变化和库容年际变化过程见表1和图2。

表1 赣江流域新增水库数量及库容年际变化Tab.1 Numbers and capacity of new built reservoirs in Ganjiang River Basin

图2 赣江流域水库数量及库容年际变化过程Fig.2 Interannual variation of reservoir quantity and storage capacity in Ganjiang River Basin

分析水库数量变化过程可知，20世纪50年代中期至70年代末是赣江流域大中型水库数量增长最快的时期，水库总数从几座增长至1979年的100座，占已注册登记数量的76%。其中大型水库11座，占比68.8%，中型水库89座，占比76.7%。20世纪80年代开始，水库建设数量增速较缓，1980～1989、1990～1999年两个10 a间，大中型水库建成数量分别为5，10座。2000～2018年，大中型水库建设进程明显加快，新增大型水库3座，中型水库14座。

分析水库库容变化过程可知，赣江流域水库建设可分为5个阶段：① 1955～1957年缓慢增长期。该时间段建有大中型水库7座，总库容仅9.34亿m3，流域内大(2) 型水库仅1座(上犹江水库)，总库容增长缓慢。② 1958～1968年极速增长期。1958年为水库建设高峰期，新建中型水库35座，总库容增长以中型水库为主。至20世纪60年代末期，总库容迅速增长为43.95亿m3，约为上一阶段的1.7倍。③ 1969～1977年平缓增长期。该时间段新增大型水库2座(团结水库、万安水库)，20世纪70年代新增总库容约为60年代的2倍。④ 1978～2009年平缓增长期。20世纪80，90年代新增库容1.3亿，4.09亿m3，21世纪前十年新增库容5.22亿m3。⑤ 2010～2018年快速增长期。该时间段水库总库容增长量超过前30 a的总和，总库容增长以大型水库为主(峡江水利枢纽工程)。

从以上建设过程来看，赣江流域水库建设进程近年来明显加快，水库数量、总库容均有较大的提升。

3.2 赣江流域水沙情势变化

3.2.1年际变化

由水沙变化特征统计成果(表2，3)可知：赣江坝上、吉安、外洲3个站径流量序列最大值均出现在20世纪90年代，主要受同期长江流域降雨量增加的影响，但年径流量序列总体无显著变化趋势。20世纪输沙量呈减少趋势，尤其是90年代输沙量减少非常明显，坝上、吉安、外洲平均输沙量分别占80年代的74.9%，45.2%，58.5%。本文采用变异系数与极值比判断水文情势的变化程度：变异系数=(标准偏差/平均值)×100%，极值比=最大值/最小值。坝上、吉安、外洲径流量变异系数为0.284～0.312，极值比4.51～5.08；输沙量变异系数为0.615～0.640，极值比15.49～23.38。根据水沙资料绘制径流量、输沙量变化过程线(见图3)可知：3个站的径流量年际变化比较平缓，输沙量的年际波动比较剧烈。

表2 赣江流域水沙变化特征Tab.2 Variation characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

表3 赣江流域水沙年代变化特征统计Tab.3 Statistical table of time characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

图3 赣江主要控制站年径流量和输沙量变化过程线Fig.3 Process curves of annual runoff and sediment transport in Ganjiang River

3.2.2年内变化

由水沙年内特征统计成果(见表4)可知：坝上、吉安、外洲1～12月份径流量和输沙量均呈先增加后减少的变化趋势。径流量最大值均出现在6月份，4～7月份径流量分别占全年的53.4%，57.9%，59.3%；输沙量的年内分配与径流量的基本一致，输沙量主要集中在4～7月份，分别占全年的69.8%，70.9%，76.6%。

表4 赣江流域水沙年内变化特征统计Tab.4 Annual variation characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

3.2.3变化趋势分析

绘制坝上、吉安、外洲站年径流量、输沙量距平累积曲线(见图4～5)。60余年来，赣江径流量呈上升与下降交替变化的波动趋势，大致以1972，1991，2003，2011年为界，可分为1954～1972年的枯水期、1973～1991年的波动期、1992～2003年的丰水期、2004～2011年的枯水期以及2012～2016丰水期。其中，1954～1972年径流呈波动减少的趋势，1973～1991年径流表现为增长与减小交替，这与文献[9]的结论相近。径流量突变时间方面，彭俊[10]、孙鹏[11]、游海林[3]等认为径流量发生突变的年份为1991，1992年。

图4 赣江主要控制站年径流量距平累积曲线Fig.4 Cumulative curve of annual runoff anomaly at the main control station in Ganjiang River

图5 赣江主要控制站年输沙量距平累积曲线Fig.5 Cumulative curve of annual sediment transport anomaly at the main control stations in Ganjiang River

从输沙量距平累积曲线来看，60余年来赣江输沙量呈单一的先增长后减少的趋势。流域输沙量年际变化阶段可分为1956～1961年的丰沙期、1962～1967年的平沙期、1968～1984年的丰沙期、1985～1992年的平沙期以及1993～2018年的枯沙期。输沙量突变时间方面，彭俊[10]、刘星根[12-13]分析认为外洲站输沙序列突变点为1996，1995年，孙鹏[8]、熊森雅[14]认为1989，1998年突变极显著，顾朝军[9]等认为外洲站输沙量分别在1984和1992年发生突变。

3.3 水库建设对水沙情势的影响

国内学者的研究成果表明，水库建设是流域水沙变化的重要影响因素之一[12]。为进一步研究二者的影响关系，绘制赣江坝上、吉安、外洲径流量-输沙量累积曲线(见图6)。

图6 赣江主要控制站径流量-输沙量累积曲线Fig.6 Runoff-sediment accumulation curve of the main control station in Ganjiang River

坝上站累积曲线斜率出现2次明显的转折，分别为1984，1995年。1981年初，大(1)型水库油罗口水库基本完工。1984年，赣江上游进行了水土流失试验示范治理，水土保持治理初显成效。20世纪90年代后，赣江流域实施了一系列水土保持重点治理工程，加上大批水利工程的先后建成，年输沙量在1995年再次发生突变[15]。由表3可知，1990 s与2000 s相对于1980 s，平均输沙量分别减少25.1%，61.3%。

吉安站累积曲线在1991年斜率发生明显转折。1990年8月，赣江流域库容最大的大(1)型水库万安水库(库容22.16亿m3)建成并下闸蓄水。多年平均年入库沙量742万t，多年平均泥沙淤积量400万t，大大减少了赣江下游的泥沙量[11]。由表3可知，水库建成后(1990～1999年)的平均输沙量比上一个10 a减少54.8%。

外洲站累积曲线斜率出现3次明显的转折，分别在1969，1991，2012年，表明流域水沙特性发生变化。① 第1次转折出现在1969年。赣江上中游在1969年开工建设5座，分别为白云山水库、社上水库、长冈水库、老营盘水库、油罗口水库。② 第2次转折出现在1991年。1990年建成的万安水库拦沙导致下游河道含沙量、输沙量减少。③ 第3次转折出现在2012年。2012年8月，大(1) 型水库峡江水利枢纽工程(库容11.87亿m3)实现截流，改变了年输沙量的年际变化。由表3可知，水库建设导致2010～2017相对于2000～2009平均输沙量减少30.3%。

因此，大型水库的建设与流域输沙量有很强的相关性。

4 结 论

(1) 近年来，赣江流域水库建设进程明显加快，水库数量、总库容均有较大的提升。

(2) 赣江主要控制站径流量、输沙量年内变化不大，年际变化显著。年径流量序列总体无显著变化，呈现上升与下降交替变化的波动趋势；输沙量呈先增长后减少的趋势，在1990年后更为显著。

(3) 赣江坝上、吉安、外洲三站双累积曲线斜率转折点时间段均有大型水库建设和水土保持治理工程实施，表明赣江流域水沙特性变化与水库建设关系密切。